時序InSAR邊坡滑移監(jiān)測下輸電桿塔失穩(wěn)機理研究

高霞霞 李素敏 陳朋弟 袁利偉 黃然

摘 要：滑坡等地質(zhì)災(zāi)害容易引起輸電線路桿塔塔基變形，從而影響電力系統(tǒng)的安全運行。針對邊坡滑移引起的輸電線路桿塔塔基失穩(wěn)問題，本文利用小基線集合成孔徑雷達(dá)干涉測量SBAS-InSAR技術(shù)對獲取的2019年1月—2020年12月覆蓋研究區(qū)的Sentinel-1A降軌數(shù)據(jù)進行處理。首先，識別潛在滑坡點;其次，結(jié)合實測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場調(diào)查對該區(qū)域的輸電桿塔做進一步的穩(wěn)定性評估;最后，通過時空演變特征分析輸電桿塔塔基的失穩(wěn)機理。結(jié)果表明：N號輸電桿塔附近的滑坡是導(dǎo)致該塔基失穩(wěn)的主要原因，而滑坡的發(fā)生受內(nèi)外因素的制約，內(nèi)因方面主要受軟弱巖性的影響，外因方面主要受降雨量、重型貨車碾壓的影響，在內(nèi)外因的共同作用下，坡體抗剪強度降低、沉降速率加快。研究結(jié)果揭示了SBAS-InSAR技術(shù)在輸電桿塔塔基失穩(wěn)性監(jiān)測中的可靠性與實用性，通過對滑坡發(fā)育規(guī)律及塔基失穩(wěn)機理的研究，可為電力等相關(guān)部門在輸電線路選址、巡檢等早期隱患識別方面提供有效的參考依據(jù)，具有重要的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：輸電桿塔;滑坡;SBAS-InSAR;時空演化;隱患識別

中圖分類號：P694

文獻標(biāo)志碼：A

電力系統(tǒng)的強大與否反應(yīng)了一個國家的綜合國力和經(jīng)濟基礎(chǔ)建設(shè)能力，輸電桿塔作為高壓輸電線路中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，在保證電力系統(tǒng)的安全可靠運行中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。截止到2020年12月，云南省已建成10條輸電外送通道，但隨著輸電工程規(guī)模和跨度的擴大，越來越多的輸電線路工程設(shè)施區(qū)域面臨著滑坡、泥石流、地面沉降、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的威脅。地質(zhì)災(zāi)害會造成輸電桿塔塔基的移動與變形，破壞高壓輸電桿塔的初始平衡狀態(tài)，進而對輸電桿塔的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[1-3]。因此，研究輸電桿塔的長時間形變監(jiān)測對保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行非常必要。

傳統(tǒng)的基于全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）和水準(zhǔn)測量方法雖然可以實現(xiàn)局部區(qū)域的單點高精度監(jiān)測，但存在測量范圍有限、易受到磁場信號干擾、耗時耗力和成本高等問題[4]。后續(xù)發(fā)展起來的作業(yè)機器人[5]、無人機[6]、傳感器[7]等方法，投入成本較高，且不利于大范圍長時間性監(jiān)測，效率較低。也有很多學(xué)者通過數(shù)值模擬的方法對地質(zhì)災(zāi)害下輸電桿塔穩(wěn)定性進行研究，如周文峰等[8]利用ANSYS軟件建立桿塔精細(xì)化有限元模型，施加地質(zhì)災(zāi)害下各工況塔基約束條件，對桿塔失效性進行分析;王彥海等[9]運用ANSYS軟件建立了500 kV輸電桿塔仿真模型，模擬滑坡災(zāi)害下輸電桿塔的基礎(chǔ)變形，并分析了桿塔在不同工況下的受力情況。上述方法雖能模擬桿塔的變形過程，但無法對輸電桿塔塔基的地表形變進行反演，探究桿塔在地質(zhì)災(zāi)害作用下的破壞模式。

相比之下，當(dāng)前發(fā)展起來的基于合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)干涉測量（synthetic aperture radar interferometry，InSAR）技術(shù)具有高時空分辨率、覆蓋范圍廣、形變監(jiān)測精度高、全天時和全氣候等特點[10-11]，已在區(qū)域性地表形變監(jiān)測[12-14]、地震形變監(jiān)測[15]、滑坡隱患識別[16-19]等方面得到了廣泛應(yīng)用，并已獲得可行性驗證。隨著InSAR技術(shù)的成熟應(yīng)用，該方法也被應(yīng)用于電力系統(tǒng)的監(jiān)測中，LUO 等[20]利用小基線集合成孔徑雷達(dá)干涉測量（small baseline subset insar，SBAS-InSAR）方法對2016年至2017年之間采集的21幅COSMO-SkyMed雷達(dá)圖像進行處理，以監(jiān)測中國永山縣輸電走廊地面沉降趨勢;FERESHTEH等[21]利用InSAR技術(shù)對 X波段的COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)和C波段的Sentinel-1A數(shù)據(jù)進行研究，分析了研究區(qū)域每個輸電塔的變形和精確的位移大小;范鵬等[22]以TerraSAR-X數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了時序InSAR技術(shù)在青藏輸電桿塔變形監(jiān)測中的應(yīng)用，結(jié)果表明高分辨率時序InSAR技術(shù)在輸變電工程形變監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景。

上述方法大多只針對局部輸電線路災(zāi)害隱患點的識別以及輸電桿塔的變形監(jiān)測，而對地質(zhì)災(zāi)害引起的輸電桿塔塔基失穩(wěn)機理的研究相對較少。因此，本文以Sentinel-1A 雷達(dá)影像為數(shù)據(jù)源，獲取了2019年1月—2020年12月的49景影像數(shù)據(jù)，利用SBAS-InSAR技術(shù)對多座輸電桿塔區(qū)域進行滑坡監(jiān)測識別，并基于滑坡的時空演變特征對輸電桿塔塔基的失穩(wěn)機理進行分析，監(jiān)測結(jié)果可為滑坡災(zāi)害影響下的輸電桿塔穩(wěn)定性評估提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)輸電桿塔選取自云南省大理白族自治州南澗彝族自治縣，地理位置如圖1所示。南澗彝族自治縣地處云南省西部，大理白族自治州南部，地形以山地為主，絕大部分地區(qū)山高、壑深、坡陡，99.3%的區(qū)域?qū)偕絽^(qū)。研究區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)100°15′24″—100°17′21″和北緯24°55′27″—24°56′39″，位于南澗彝族自治縣西部（見圖1（a），紅色邊框表示研究區(qū)域），海拔148～2 123 m，年平均氣溫19.3 ℃，年降水量867.8 mm，屬中國西部熱帶海陸季風(fēng)氣候，地貌構(gòu)成主要有侵蝕構(gòu)造地貌、侵蝕堆積地貌、剝蝕地貌、斷塊山地貌、巖溶地貌等，巖性以砂巖、泥巖、灰?guī)r、礫巖等為主，土壤資源有棕壤、黃棕壤、紅壤、紫色土、石灰土、沖積土、水稻土和鹽土8種。該區(qū)域地處橫斷山系縱谷區(qū)，大部分是由河谷、山巒和坡地構(gòu)成的山區(qū)或半山區(qū)，地形地貌復(fù)雜，加之降水時空分布不均，是山洪災(zāi)害的易發(fā)區(qū)、高發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)。圖1（b）展示了研究區(qū)500 kV輸電桿塔的空間分布位置。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)由歐空局Sentinel-1A衛(wèi)星提供，時間跨度為2019年1月—2020年12月，共計49景降軌影像，所有影像均為VV極化方式，C波段（波長5.6 cm），成像模式采用干涉寬幅模式（interferometric wide swath，IW），所獲數(shù)據(jù)可完全覆蓋研究區(qū)，數(shù)據(jù)信息如表1所示。影像處理中所使用的數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）是由美國宇航局（national aeronautics and space administration，NASA）主導(dǎo)的采用航天飛機雷達(dá)地形測繪任務(wù)（shuttle radar topography mission，STRM）所采集的數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 研究方法

SBAS-InSAR采用多主影像的方式組合出短時間和空間基線的干涉圖。其主要技術(shù)原理為[23]：

假設(shè)在一定時間范圍內(nèi)獲得覆蓋同一區(qū)域的N+1幅SAR影像，任選其中一幅影像作為主影像，將其余N幅影像配準(zhǔn)到主影像的成像空間，通過設(shè)置時空基線閾值對配準(zhǔn)后的影像進行組合，生成M幅相干性較好的差分干涉圖，M和N的關(guān)系滿足，

N+12≤M≤N（N+1）2 （1）

經(jīng)地形相位去除后，得到由tA和tB時刻（tB>tA）生成的第j幅差分干涉圖，則生成的干涉圖某一點的干涉相位可表示為

δφj=φ（tB）-φ（tA）≈δφdefj+δφtopoj+δφatmj+δφnoisj（2）

其中，

δφdefj=4πλ[d（tB）-d（tA）]（3）

δφtopoj=4πλB⊥ΔhRsin θ（4）

δφatmj=φatm（tB）-φatm（tA）（5）

式中，δφj為任意一點處干涉相位;φ（tA）和φ（tB）為該點在tA和tB時刻對應(yīng)于t0時刻的相位;δφdefj為tA至tB時刻視線向的形變相位;δφtopoj為地形相位誤差;δφatmj為大氣相位誤差;δφnoisj為噪聲相位誤差;d（tA）和d（tB）分別為tA和tB時刻相對于t0時刻的雷達(dá)視線方向（line of sighe，LOS）累積形變量;λ為雷達(dá)波長;R為雷達(dá)到地面觀測物體的斜距;θ為入射角;B⊥為垂直基線;Δh為高程誤差;φatm（tA）和φatm（tB）分別為tA和tB時刻對應(yīng)于t0時刻的大氣相位。

2.2 數(shù)據(jù)處理

試驗中首先對數(shù)據(jù)進行SBAS時序處理，然后利用ArcGIS對監(jiān)測結(jié)果進行優(yōu)化和精細(xì)化處理，處理流程如圖2所示。試驗數(shù)據(jù)選用覆蓋研究區(qū)的降軌影像，以20200726影像數(shù)據(jù)作為主影像，對多景單視復(fù)數(shù)（single look complex，SLC）影像進行一系列處理后得到時間序列形變結(jié)果，通過結(jié)合實測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場核查對輸電桿塔的穩(wěn)定性進行評估，最后基于時空演變特征分析輸電桿塔塔基的失穩(wěn)機理。其中，時間基線閾值設(shè)定為90 d，最大空間基線閾值設(shè)定為10%。

3 結(jié)果與分析

3.1 輸電線路地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識別

通過SBAS-InSAR技術(shù)對2019年1月—2020年12月期間獲取的覆蓋研究區(qū)的合成孔徑雷達(dá)（synthetic aperture radar，SAR）數(shù)據(jù)進行處理，得到該區(qū)域內(nèi)500 kV輸電桿塔周邊廣域范圍內(nèi)的形變監(jiān)測特征信息（見圖3（a）），并對疑似變形區(qū)域和重大風(fēng)險隱患點進行實地調(diào)查。圖3（a）中紅色正值表示抬升，目標(biāo)朝向衛(wèi)星運動方向，藍(lán)色負(fù)值表示沉降，目標(biāo)背離衛(wèi)星運動方向，綠色則表示相對穩(wěn)定的區(qū)域。

從圖3（a）可以看出，大部分區(qū)域的形變速率在-10～+10 mm/a之間，沉降嚴(yán)重區(qū)域主要集中在N號塔西部、西北部以及東北部300 m范圍內(nèi)，且存在大片高速率形變區(qū)，疑似災(zāi)害隱患點，監(jiān)測得到的最大形變速率值為-80 mm/a。為此，本文主要針對N號輸電桿塔附近危險坡體進行形變監(jiān)測與分析，研究該區(qū)域滑坡體對輸電桿塔穩(wěn)定性的影響機理。對無人機所拍攝的照片進行三維建模后，可以清晰的顯示出輸電桿塔與坡體的空間位置及坡體的地形地貌，從圖3（b）可以看出輸電桿塔位于滑坡區(qū)頂部，坡體上有沖溝和居民住宅區(qū)。

3.2 N號輸電桿塔穩(wěn)定性分析

輸電桿塔塔基的穩(wěn)定性受滑坡變形范圍的影響，從圖3（a）可以看出，塔基的形變速率為-40 mm/a，且研究人員在2020年5月通過現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)，輸電桿塔塔基的頂面出現(xiàn)了不同程度的裂紋（見圖4（a）），為了對桿塔的穩(wěn)定性做進一步分析，通過在現(xiàn)場布設(shè)代表性監(jiān)測點對輸電桿塔塔基進行監(jiān)測。在地表變形作用下，輸電桿塔破壞的程度與桿塔四個塔腿的沉降量有很大的關(guān)系，當(dāng)桿塔的四個塔腿沉降量保持一致時，基礎(chǔ)間的相對位置保持不變，破壞的風(fēng)險較小，當(dāng)四個塔腿的沉降量不一致時，桿塔發(fā)生傾倒的風(fēng)險增大。由于InSAR數(shù)據(jù)分辨率的問題，無法對桿塔的四個塔腿進行單獨監(jiān)測，故在塔腿基礎(chǔ)頂面布設(shè)了相應(yīng)的監(jiān)測點（見圖4（b）），并對四個塔腿進行監(jiān)測，測量時以TD腿插入角鋼頂端立柱頂點為基點，得到四個塔腿的變化值（見表2）。2020年5月8日的測量數(shù)據(jù)顯示，N號輸電桿塔基礎(chǔ)TA、TB、TC腿均發(fā)生了沉降，TA腿基礎(chǔ)沉降了448 mm，TB腿基礎(chǔ)沉降了440 mm，TC腿基礎(chǔ)沉降了147 mm，考慮到TC、TD基礎(chǔ)存在75 mm的設(shè)計預(yù)偏，因此TA腿的基礎(chǔ)沉降量為373 mm，TB腿基礎(chǔ)的沉降量為365 mm，TC腿基礎(chǔ)的沉降量為72 mm，TA、TB腿為靠近坡體的一側(cè)，屬于不均勻沉降，且N號桿塔為耐張轉(zhuǎn)角塔，塔高44.6 m，為插入角鋼斜柱式基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)受某種自然災(zāi)害破壞時，線路修復(fù)困難，因此會對N號塔的安全穩(wěn)定運行造成嚴(yán)重威脅。

3.3 典型區(qū)域滑坡時空演變特征分析

為了探究滑坡變形對N號輸電桿塔塔基失穩(wěn)的影響機理，從空間和時間兩方面進行塔基失穩(wěn)性分析。

研究發(fā)現(xiàn)，滑坡多發(fā)于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、坡度大于20°且形變速率超過10 mm/a的區(qū)域，滑坡的破壞一般是由局部破壞逐漸擴展貫通到整體的漸進式過程[24]。研究區(qū)時空變化圖如圖5所示，紅色邊框區(qū)域為重點研究區(qū)域，該區(qū)域地質(zhì)地貌復(fù)雜，坡度在30°左右。

從整體的變形過程可以看出，該研究區(qū)從2019年1月—2020年12月期間一直處于沉降遞增狀態(tài)，這是導(dǎo)致輸電桿塔塔體失穩(wěn)的主要原因。從劃分的時間間隔來看，2019年1月—2019年3月（見圖5（a）），研究區(qū)整體沉降量較小，沉降值范圍在-10～-19 mm之間，但相比于周邊區(qū)域，該研究區(qū)沉降較為明顯;到2020年3月底（見圖5（e）），該區(qū)域沉降趨勢顯著增加，坡體整體存在A、B兩個潛在滑移面，主要分布在N號輸電桿塔的東北部、西北部與西部，區(qū)域沉降面積逐漸擴大，對塔基失穩(wěn)性影響增強，沉降值范圍在-58～-98 mm;從2020年3月底—2020年12月（見圖5（f）、圖5（g）、圖5（h）），研究區(qū)沉降范圍擴散加強，滑坡體相對變形整體呈遞增趨勢，相比于圖5（e），隨著時間的推移，A、B兩區(qū)域逐步向中間擴展已形成形變貫通面，整體呈現(xiàn)漸進破壞趨勢，最大沉降量為-140 mm，沉降面積達(dá)到0.1 km2。從圖5的監(jiān)測過程不難發(fā)現(xiàn)，變形區(qū)域距離輸電桿塔越來越近，進而導(dǎo)致塔體失穩(wěn)性顯著增加。

為進一步研究滑坡對N號輸電桿塔變形的影響過程，在典型沉降區(qū)內(nèi)分別選取了A、B、N 3個特征點，對其進行地面沉降長時間序列演化特征分析，并獲取相關(guān)時序形變信息，其中N點為輸電桿塔所在位置，A、B位于坡體上。如圖6所示，從統(tǒng)計的結(jié)果可以看出：上述三點的形變時序曲線走勢基本一致，幾乎呈現(xiàn)相同的線性下降趨勢，且研究區(qū)坡體以相似的形變速率持續(xù)蠕動變形，說明輸電桿塔塔基的破壞形式與坡體的運動模式表現(xiàn)一致，證明了區(qū)域性滑坡是導(dǎo)致N號輸電桿塔變形的主要原因。通過觀察圖6發(fā)現(xiàn)，該坡體存在兩個形變加速階段，分別為2019年7月—2019年10月、2020年7月—2020年10月，前時間段形變量隨降雨的增多加速明顯，后時間段形變量隨降雨的增多雖表現(xiàn)不明顯，但總體呈現(xiàn)形變加速狀態(tài)。從現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在雨季時場地覆蓋層內(nèi)會有局部上層積水存在，通過查閱相關(guān)地質(zhì)資料得知，該形變區(qū)域主要包含砂巖、泥巖夾泥灰?guī)r，為軟弱巖類，屬侏羅紀(jì)系，在外界因素如風(fēng)力風(fēng)化、降雨沖擊、地下水以及太陽輻射等作用下加速了該區(qū)域巖性的泥化過程，導(dǎo)致層面間抗剪強度降低，形成典型的軟弱結(jié)構(gòu)面，這種結(jié)構(gòu)很容易造成區(qū)域性滑坡，進而會對坡體和桿塔產(chǎn)生一定的影響。

實地勘察發(fā)現(xiàn)，重型車輛的反復(fù)碾壓也是造成塔基沉降和坡體發(fā)生形變的主要外在因素。在研究區(qū)道路左后方山梁緩平地段存在一個大型拌合站，該大型拌合站用于修建大臨鐵路，而N號輸電桿塔所處路段為該工程主要的運輸通道，從2019年下半年開始該路段頻繁經(jīng)過水泥罐車和材料運輸?shù)却笮蛙囕v，噸位都在幾十噸以上，而該段道路并沒有經(jīng)過任何硬化處理，在重型車輛的反復(fù)碾壓下，路基不斷下沉，這也是導(dǎo)致該區(qū)域沉降加速的主要外界因素之一。

4 結(jié)論

輸電桿塔作為電力輸送的重要支撐載體，在保證電力系統(tǒng)的安全可靠運營中發(fā)揮著重要的作用。本文利用SBAS-InSAR技術(shù)對南澗彝族自治縣某區(qū)域500 kV輸電桿塔進行形變監(jiān)測，并對重點形變坡體做滑坡時空演化特征分析，通過現(xiàn)場勘察和內(nèi)外因結(jié)合的方式來探討滑坡對N號輸電桿塔穩(wěn)定性的影響機理，主要結(jié)論有：

1）通過InSAR技術(shù)對多座輸電桿塔進行監(jiān)測，分析發(fā)現(xiàn)N號輸電桿塔附近存在滑坡，通過現(xiàn)場監(jiān)測與核查證實，N號輸電桿塔塔基出現(xiàn)了不均勻沉降，這一因素對桿塔穩(wěn)定性影響較大。

2）從InSAR的時空演變分析結(jié)果可以看出，N號輸電桿塔附近坡體滑坡是造成塔基失穩(wěn)的主要原因，塔基的破壞形式與坡體的運動模式基本一致。分析發(fā)現(xiàn)，重點形變區(qū)坡體存在兩個潛在滑移面，主要分布在N號輸電桿塔的東北部、西北部與西部，隨著時間的推移，兩滑移面逐步向中間擴展，為漸進滑動模式，沉降區(qū)面積呈現(xiàn)遞增趨勢。

3）滑坡的發(fā)生是由內(nèi)外因共同作用的結(jié)果。觀察發(fā)現(xiàn)，重點形變區(qū)坡體位于N號桿塔東北部、西北部與西部，巖體破碎性較大，坡體土質(zhì)松軟，在雨水沖擊、重型車輛碾壓等外部因素作用下很容易發(fā)生滑坡。因此，坡體在內(nèi)外因素的共同作用下使沉降速率加速，從而導(dǎo)致輸電桿塔變形增加。

本文針對滑坡滑移下輸電桿塔的失穩(wěn)情況進行了相關(guān)監(jiān)測和機理分析，該研究可為邊坡滑移下桿塔的穩(wěn)定性評估提供一定的借鑒，有助于提前采取預(yù)防措施，降低地質(zhì)災(zāi)害對輸電線路的破壞程度，保障電網(wǎng)的安全運行。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Research on Instability Mechanism of Transmission Towers

under Time-series InSAR Slope Slip Monitoring

GAO Xiaxia1， LI Sumin*1， CHEN Pengdi1， YUAN Liwei1， HUANG Ran2

（1.School of Land and Resources Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650093 China; 2.Yunnan Power Grid Co.， Ltd. Electric Power Research Institute， Kunming 650217， China）

Abstract：

Geological disasters such as landslides can easily cause the deformation of the tower foundations of transmission lines， thereby affecting the safe operation of the power system. Aiming at the instability of transmission line tower foundation caused by slope slippage， this paper uses SBAS-InSAR technology to process the Sentinel-1A deorbit data obtained from January 2019 to December 2020 covering the study area. First， potential landslide points are identified. Secondly， the measured data and onsite investigations are combined to further evaluate the stability of the transmission towers in the area， and finally the instability mechanism of the transmission tower foundations through the characteristics of time and space evolution are analyzed. The results show that the landslide nears the transmission tower N is the main cause of the instability of the tower foundation， and the occurrence of the landslide is restricted by internal and external factors. The internal factors are mainly affected by weak lithology， and the external factors are mainly affected by rainfall and heavy trucks. Under the influence of pressure， the shear strength of the slope decreases and the settlement rate accelerates due to the combined action of internal and external factors. The research results reveal the reliability and practicability of the SBAS-InSAR technology in the monitoring of the instability of the tower foundation of the transmission tower. Through the study of the landslide development law and the mechanism of the tower foundation instability， it can be used for power and other related departments in the selection of power transmission lines. It provides an effective reference basis of early hidden danger identification such as patrol inspection， and has important application value.

Key words：

transmission tower; landslide; SBAS-InSAR; temporal and spatial evolution; hidden danger identification